電火花銑削加工過程分段優(yōu)化與補償方法研究

顏 杰，萬符榮*，吳 強，楊 媛

(1.蘇州電加工機床研究所有限公司，江蘇 蘇州 215011；2.機械工業(yè)電加工技術(shù)重點實驗室，江蘇 蘇州 215011)

0 引言

電火花加工是解決航空航天發(fā)動機、汽車零部件、化纖紡織噴絲模具部件等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件中，難加工材料制造的精密微細(xì)加工不可或缺的主流加工工藝方法，廣泛應(yīng)用于高溫、輕質(zhì)合金等難加工先進金屬材料零部件精密微細(xì)結(jié)構(gòu)的高品質(zhì)加工。隨著數(shù)控技術(shù)與工藝技術(shù)的融合發(fā)展，針對型腔、特殊復(fù)雜型面、異型孔等加工有了新的工藝方法即電火花銑削工藝。電火花銑削加工技術(shù)是電火花加工的重要工藝之一，具有工具電極制造簡便、無機械切削力、良好的加工控制性能等優(yōu)點，是難加工材料的重要加工工藝方法[1-2]。隨著航空、航天領(lǐng)域高精尖、高端裝備的快速發(fā)展，為適應(yīng)關(guān)鍵零部件尺寸微細(xì)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)、材料特殊、高表面質(zhì)量等要求，解決傳統(tǒng)的機械加工方法無法滿足加工要求的難題，電火花銑削加工比機械銑削加工具備更好的靈活性和優(yōu)越性，逐漸成為主流工藝方法。高效率、高品質(zhì)加工是每一種加工工藝方法追求的目標(biāo)。由于加工過程存在電極損耗，在電火花銑削加工中，無法同時兼顧效率和精度。基于均勻損耗理論，有學(xué)者提出，當(dāng)分層厚度較小時，可利用均勻補償?shù)姆椒ㄟM行分層加工；當(dāng)分層厚度較大時，使用電極形狀的預(yù)測與補償方法[3-4]；何磊等[5]通過定長補償加工，建立了補償與銑削深度的擬合關(guān)系式；周兆威等[6]通過定長補償方法，實現(xiàn)微細(xì)電火花三維型腔的加工；王元剛等[7]針對大分層厚度的電火花銑削工件側(cè)面加工進行了相關(guān)研究，總結(jié)了電火花銑削側(cè)面加工電極穩(wěn)定過程以及補償量與銑削深度、角度的相關(guān)規(guī)律，并通過曲面與斜面加工進行了驗證。

本文提出一種加工過程的銑削優(yōu)化與補償?shù)姆椒ǎ捎煤唵螆A電極做旋轉(zhuǎn)運動與進給，不用事先制作工具電極與規(guī)定路徑規(guī)劃、不用按照粗中精分別加工，縮短加工周期，降低加工成本，滿足復(fù)雜圓弧、窄縫窄槽、腰型孔、簸箕口等形狀的工藝加工要求，保證在加工面積較小的狀態(tài)下進行分層逐級加工，通過首件工件加工學(xué)習(xí)，得到最優(yōu)加工參數(shù)，完成加工工件的銑削優(yōu)化和銑削補償過程，獲得更好的加工表面質(zhì)量，提高加工效率。

1 電火花銑削加工系統(tǒng)組成

本文提出的電火花銑削加工方法，主要通過電火花機床及其數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)對工具電極和加工工件的運動過程控制和工件檢測目標(biāo)，電火花銑削加工系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)和工作主流程分別如圖1、圖2所示。主要包括伺服及放電加工單元、測量單元，伺服及放電加工單元包括脈沖電源放電單元和工具電極運動單元，一是產(chǎn)生放電脈沖提供銑削加工能量，二是控制工具電極銑削軌跡包括橫向銑削運動和縱向進給與回退。測量單元的作用，一是測量銑削加工的軌跡參數(shù)用于銑削優(yōu)化與補償，二是測量放電參數(shù)包括電壓、電流等電參數(shù)用于智能化伺服控制策略分析。

圖1 電火花銑削加工系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

圖2 電火花銑削加工系統(tǒng)工作主流程

2 電火花銑削加工方法與實現(xiàn)

2.1 加工方法設(shè)計

由于電火花銑削加工過程的持續(xù)，工具電極存在損耗，以垂直面的直線輪廓銑削過程為例，如圖3所示，隨著工具電極的不斷損耗，加工軌跡在不斷偏離，如果不進行加工過程的適應(yīng)控制，會產(chǎn)生電極損耗更不均勻、排屑不通暢及電火花放電間隙消電離不徹底等問題，導(dǎo)致加工過程不穩(wěn)定與加工軌跡誤差逐步增大，因此需要對加工軌跡的過程特點進行分析。

圖3 未加補償與控制的軌跡

本文分別利用無限分割原理與逐次逼近原理對電火花銑削加工的過程進行闡述，如圖4所示，將加工軌跡進行無限分割，每層銑削軌跡分割成n段(1≤i≤n，i，n為正整數(shù))，按照機床坐標(biāo)確定各段軌跡點初始理論坐標(biāo)值(X，Y，Z)。

圖4 銑削軌跡分割成n段

當(dāng)i=1時，該軌跡點初始理論坐標(biāo)值為(X1，Y1，Z1)。

當(dāng)i=2時,該軌跡點初始理論坐標(biāo)值為(X2，Y2，Z2)。

以此類推，當(dāng)i=n時，該軌跡點初始理論坐標(biāo)值為(Xn，Yn，Zn)。

如果機床數(shù)控系統(tǒng)按照初始理論軌跡順序進行分段過程銑削加工，在每一段加工軌跡結(jié)束后，檢測計算當(dāng)前加工段的偏離誤差Δk，用于后一段軌跡加工的補償，實現(xiàn)加工過程的銑削優(yōu)化。當(dāng)初始段(第一段)加工完成后的檢測坐標(biāo)值為(X1′，Y1′，Z1′)，該段加工軌跡點位的初始理論值與檢測值的實際差值的坐標(biāo)為Δ1(ΔX1，ΔY1，ΔZ1)，ΔX1=X1-X1′，ΔY1=Y1-Y1′，ΔZ1=Z1-Z1′；第二段的軌跡實際加工坐標(biāo)理論值為(X2″，Y2″，Z2″)，X2″=X2+ΔX1，Y2″=Y2+ΔY1，Z2″=Z2+ΔZ1。以此實現(xiàn)加工過程的銑削優(yōu)化，連續(xù)加工直至該層軌跡全部加工完成。

以此類推，各段實際加工后的檢測坐標(biāo)值分別為(X2′，Y2′，Z2′)…(Xn′，Yn′，Zn′)，因此，各段加工軌跡點位的初始理論值與檢測值的實際差值的坐標(biāo)為Δ2(ΔX2，ΔY2，ΔZ2)，Δ3(ΔX3，ΔY3，ΔZ3)…Δn(ΔXn，ΔYn，ΔZn)，其中：ΔXi=Xi″-Xi′，ΔYi=Yi″-Yi′，ΔZi=Zi″-Zi′，(2≤i≤n)；Δ2，Δ3…Δn-1為該段下一段加工軌跡過程中補償?shù)牟钪担慷芜M行誤差補償后，在后一段軌跡加工后又會有新的誤差值，因此誤差是在繼續(xù)累計，但誤差值在變小。可以理解為，隨著加工過程的持續(xù)，各段軌跡均已實現(xiàn)各段初步補償，誤差也將逐步縮小，直到Δn滿足加工精度值，因此該銑削加工過程符合逐次逼近的原則，直至滿足加工精度的要求。

2.2 銑削加工補償與控制方法

根據(jù)上文的銑削加工過程特點分析，在加工過程銑削優(yōu)化后，本文依據(jù)反向疊加誤差補償方法與電火花銑削加工過程控制程序，實現(xiàn)零件的全過程電火花銑削持續(xù)加工。

銑削加工誤差在經(jīng)過分段補償后逐漸減小，直至滿足加工精度要求，因此需要對各段的誤差補償進行累加，反向疊加到前一段誤差補償上去，即第一段誤差需要補償?shù)氖呛罄m(xù)各段加工補償?shù)恼`差總和。

當(dāng)k=1時，該段加工軌跡點位的補償值為(ΔX11，ΔY11，ΔZ11)，其中：

當(dāng)k=2時，該加工軌跡點位的補償值為(ΔX22，ΔY22，ΔZ22)，其中：

以此類推，完成各段累計軌跡誤差補償，并在以上補償?shù)挠嬎惴椒ㄉ希O(shè)計控制邏輯程序，具體如圖5所示。

圖5 電火花銑削加工系統(tǒng)工作子流程

第一個過程：優(yōu)化調(diào)整前銑削，按照初始加工軌跡程序進行銑削加工。

第二個過程：銑削優(yōu)化。以前一個加工軌跡點位的初始理論值與檢測值的實際差值為依據(jù)，與設(shè)定的銑削加工精度值進行比較，若不滿足銑削加工精度值的要求，則對當(dāng)前加工軌跡點位進行優(yōu)化調(diào)整。將當(dāng)前加工軌跡點位的初始理論值與前一個加工軌跡點位的實際差值之和作為當(dāng)前加工軌跡點位的實際理論值，并依據(jù)實際理論值進行銑削加工，以此循環(huán)并通過逐次逼近的方式，使實際差值穩(wěn)定在所述銑削加工精度值要求的范圍內(nèi)，若滿足銑削加工精度值的要求，則以當(dāng)前加工軌跡點位的初始理論值直接作為實際理論值并進行銑削加工。

3 結(jié)語

本文提出的銑削加工方法、過程分段優(yōu)化及逼近式補償方法是采用簡單圓電極進行銑削加工，并采用軌跡優(yōu)化計算方法，完成銑削優(yōu)化和銑削補償，使得在零件加工過程中保持工具電極損耗的均勻性。一次銑削加工過程結(jié)束后，電火花加工數(shù)控系統(tǒng)通過大量數(shù)據(jù)自學(xué)習(xí)掌握針對該零件的銑削規(guī)律，并依據(jù)該銑削規(guī)律可實現(xiàn)對零件的連續(xù)精密高效銑削，只需在全部完成零件銑削后進行統(tǒng)一檢測，提高工件加工的一致性和加工效率，并降低加工成本。該方法具有電極制造簡便、更換工具電極方便及工具電極損耗易補償?shù)葍?yōu)勢，在數(shù)控電火花加工機床用于航空航天領(lǐng)域關(guān)鍵零件微細(xì)結(jié)構(gòu)的銑削加工應(yīng)用需求中具有重要的參考意義。